无缝钢管热处理残余应力研究进展

无缝钢管热处理残余应力研究进展指导老师：（内蒙古科技大学材料与冶金学院）摘要：为消除无缝钢管的轧制和热处理所产生的尺寸和椭圆度误差等缺陷,一般要采用定径工艺。

而作为无缝钢管制造最后生产环节的定径工艺决定了管体的尺寸和几何形状, 同时也影响其力学性能。

为此,文章研究了满足无缝钢管的尺寸和椭圆度要求下的定径的压下量和温度与残余应力分布的关系,进行无缝钢管定径时的金属流动规律分析,以便减小定径工艺产生的残余应力,获得最佳的定径效果,提高无缝钢管的机械性能,为定径工艺的制定提供理论依据。

利用有限元分析软件MSC1M arc模拟无缝钢管淬火过程, 分析了淬火残余应力的分布情况况得到了残余应力按照温度梯度沿半径方向分层分布的规律。

关键词：无缝钢管; 热处理; 残余应力;Abstract: The sizing process must be taken in order to eliminate the size tolerance and roundness one after the seamless pipe rolled and heat treated. As the last procedure of producing the seamless pipe, the sizing pr ocess plays a key role in not only controlling the pipe size and geometr y shape, but also affecting its mechanical performance. There fore, to meet the tolerance requirements, sy stematic investig atio n has been car ried out t o find the dependence relationship of distribution of residual st ress o n the sizingmeasure and temperature. A detailed analy sis thus is performed to understand metal flow on the sizing defo rmation pro cess. This analysis w ill aid to reduce t he residual stress o f sizing pr ocess, achieve an o ptimized sizing technology and enhance the mechanical performance. The analysis results obtained may provide a theoretical foundation for establishing the sizing process. This paper simulates the quenching process o f the hot- rolled seam less pipe using the so ftwa re of M SC1M a rc by FEM.Key words：seamless pipe; heat treatment;residual stress;1前言1.1压下量和温度对残余应力分布的影响在定径轧制中, 无缝钢管直径被压缩的同时,其壁厚也将发生变化, 管体的直径和椭圆度的变化主要取决于定径的压下量, 如果适当调整定径的压下量和温度, 就既能消除无缝钢管的椭圆度, 又能达到规定的直径尺寸, 从而也可使无缝钢管的力学性能有所提高。

但是, 在进行无缝钢管定径的同时,也会使管体产生残余应力, 降低其机械强度。

因此,为保证管体的几何形状和提高其机械强度, 需要在满足规定的几何形状的前提下, 研究定径轧制的压下量和温度与残余应力分布的关系, 以获最佳的定径效果。

1.2在无缝钢管的轧制生产过程中热处理工序是生产的重要环节, 它可以改善金属材料的组织性能, 提高产品的机械性能。

淬火处理所产生的残余应力也是影响无缝钢管机械性能的重要因素, 这种残余应力主要是由于钢管内外表面的冷却速度不一致造成的。

本文利用有限元法对无缝钢管淬火过程进行数值模拟, 分析在改变加热温度和冷却速率的状况下的残余应力分布的变化规律, 以达到减小淬火残余应力, 获得最优淬火条件的目的, 为企业提供技术指导。

1.3热处理消除焊接残余应力是一种工程上常用的方法［1］。

对于热处理降低焊接残余应力的机理一种观点认为材料的屈服应力是随着加热温度的增加而下降的，材料的弹性模量亦随之下降，因此在热处理工艺规定的温度下，材料内部的焊接残余应力超过了该温度下材料的屈服强度，就会发生塑性变形，残余应力就会因为这种塑性变形而有所缓和，但这时残余应力的消除是有限度的，残余应力不可能降低到该热处理温度下材料的屈服强度以下。

依照此理论制定的工艺一般要选较高的温度。

另一种观点认为热处理降低焊接残余应力是由蠕变引起的应力松弛造成的。

材料在较高温度保温时，在内部残余应力的作用下将会发生蠕变，从而引起应力松弛，残余应力就会下降。

理论上只要给予充足的时间，残余应力就可以完全消除，而且不受残余应力大小的限制［2,3］。

本文通过Q235 钢在不同工艺条件下退火热处理后残余应力变化试验论证焊接残余应力降低机理，为工程上采用热处理消除焊接残余应力提供了理论依据。

2 发展现状2.1无缝钢管的有限元网格划分在定径过程中, 一是无缝钢管的几何尺寸发生变化; 二是相互接触的定径轧辊和无缝钢管在接触表面之间传递热量, 而接触关系改变后, 彼此分离的接触面又与环境介质进行热交换; 三是无缝钢管的塑性变形功会转换成体积热流, 而且几乎全部摩擦力的功率不可逆地转化成表面热流。

但是, 由于定径轧制过程的时间较短, 所以, 轧辊与环境的换热不够充分, 被轧钢管的温度变化较小, 为了简化计算, 可忽略钢管的温度差异。

同时, 考虑无缝钢管的定径量较小, 定径轧辊的弹性变形更小, 两者的强度和刚度相差悬殊, 将定径轧辊作为刚性体处理。

进而, 所研究的定径机组为3 机架二辊型。

为减少计算量, 考虑结构的对称性, 取无缝钢管1/ 4建立有限元模型。

钢管的规格为5245mm @ 12mm, 长度为1000mm。

为简化研究问题, 不考虑钢管的圆度误差, 假设高合金无缝钢管在定径前是壁厚均匀、且无残余应力的空心圆柱体, 只分析二辊定径机在定径过程中的压下量和温度对定径后钢管残余应力分布的影响。

考虑到定径辊和钢管的对称性, 取1/ 4进行分析。

沿壁厚方向划分4 等分, 沿环向划分20等分, 沿长度方向划分40 等分, 共划分为3200个单元。

2.2有限元计算结果用有限元软件MSC1Marc 模拟无缝钢管的定径过程。

由计算结果可知, 定径后, 无缝钢管的外表面残余应力为压应力, 而内表面残余应力为拉应力,从外表面到内表面的残余应力变化是由压应力到拉应力的动态变化过程。

当钢管原始尺寸误差较大时,残余应力的分布状态更复杂, 拉压应力交错分布。

在不同的定径温度下, 无论温度高低, 无缝钢管表面的残余应力都随定径压下量的增大而逐渐变大在不同的定径量下, 无论定径量大小, 无缝钢管表面的残余应力都随定径温度的升高而逐渐减小。

2.3无缝钢管定径过程分析定径轧制一是使材料获得一定的形状和尺寸,二是赋予材料最终的组织与性能。

在这个过程中,管坯经流动变形和性能变化及一系列复杂的物理变化而被轧制成钢管, 但这一切都不能直接观察到,间接测试也十分困难。

长期以来, 基础学科的理论知识难以定量指导无缝钢管的定径加工过程, 轧制加工工艺设计只能建立在经验基础上, 而仅靠传统的经验和试错法无法对无缝钢管内部的性能演化进行理想控制, 难以消除产品质量缺陷。

因此, 需要以轧制加工理论为指导, 通过数值模拟和物理模拟,动态仿真无缝钢管的定径加工过程, 预测实际工艺条件下无缝钢管的形状和尺寸及性能, 进而控制定径过程使材料的性能达到最佳状态, 实现定径加工工艺的优化设计。

在实际制定定径工艺时, 要考虑无缝钢管的尺寸及定径轧辊的相对位置, 分析无缝钢管定径过程中的金属流动状态、应力场、应变场及受力状况,研究定径压下量和温度与残余应力分布的关系。

定径轧制时, 定径机的同一机架上的两个定径轧辊所形成的口径小于钢管的外径, 当定径轧辊与无缝钢管接触后, 轧辊和无缝钢管之间所产生的摩擦力咬动无缝钢管随轧辊的滚动而向前运动; 因此, 无缝钢管除受到定径轧辊的滚压作用外, 还要受到其辗压和摩擦的综合作用。

进而, 由于定径辊的非理想圆孔型和各点的线速度差, 使孔型顶部速度最大、辊缝处速度最小及中间部分次之。

所以, 造成了无缝钢管各处所受的摩擦力大小不同, 同时使孔型顶部的金属向辊缝处横向流动, 这使孔型顶部的摩擦力最大, 摩擦力拉拽金属向前流动, 造成孔型顶部的金属流动量大, 导致管壁减薄得多; 而在辊缝处则相反, 从而造成无缝钢管周向壁厚不均, 最终导致孔型顶部的残余应力最大。

2.4几何模型研究对象是外径为24415 mm, 壁厚为11199 mm, 长度为10m的无缝钢管, 材质为29CrMo44V钢。

根据管体的壁厚较薄和炉内加热时间及淬火工艺要求, 可以认为管体的初始温度均匀。

现淬火工序的温度为900 e , 淬火液采用水, 在钢管外部有流量为300 m3 /h的水均匀喷射在管体外表面, 内部有流量为880m3 /h的水均匀喷射在管体内表面, 喷射的水温恒定为40 e 。

由于钢管的轴向尺寸远大于横截面尺寸, 且两端# 24# 重型机械2006 No1 5被固定, 因此可以将问题视为平面应变, 同时根据对称性, 取钢管横截面的1 /4建立几何模型。

根据上述简化原理和几何对称性, 对钢管横截面的1 /4几何模型进行网格划分和施加边界条件, 分析残余应力分布情况。

考虑到计算精度和网格的规整性, 将模型沿圆周方向划分成120等分, 沿径向划分成10等分, 共划分为1017个单元。

2.5力学模型对淬火过程中的应力、应变及淬火后残余应力和变形的预测的准确程度与所采用的材料的力学模型密切相关。

在考虑材料的力学性能, 如加工硬化特性、塑性流动法则、屈服准则等基础上,采用Von1M ises弹塑性准则、等向硬化条件和普朗特尔- 劳埃斯( Prandtl Reuss)塑性流动法则进行计算分析。

同时, 淬火过程中的应力分析还必须考虑相变的影响, 因此塑性区的处理远较普通的应力分析复杂得多, 本文中总应变考虑了弹性应变、塑性应变和热应变, 因此其增量形式为dEij = dEeij + dEpij + dEthij ( 3)式中, dEeij, dEpij, dEthij 分别为弹性应变增量, 塑性应变增量和由温度产生的热应变增量, 弹性应变增量dEeij部分与应力张量部分符合Hooke 定律; 塑性应变增量部分与应力张量部分符PrandtlReuss塑性流动法则; 热应变增量dEthij Aij (T ) Dij, Aij (T ) 是随温度化的瞬时热膨胀系数的函数。